7. Equipos de Bombeo en Aguas Subterraneas

2017

UNIVERSIDAD NACIONAL FEDERICO VILLARREAL FACULTAD DE INGENIERIA GEOGRÁFICA, AMBIENTAL Y ECOTURISMO ESCUELA DE INGENIERIA AMBIENTAL

EQUIPOS DE BOMBEO DE AGUAS SUBTERRANEAS

CURSO:

HIDROLOGÍA II

PROFESOR: DR. JHON WALTER GÓMEZ LORA ALUMNO: JOHN MILTON POQUIOMA SOLES CICLO: VIII

Contenido 1.

INTRODUCCIÓN ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 3

2.

OBJETIVOS ...................................................................... ............................................................................................................................. ....................................................... 4

3.

4.

2.1

OBJETIVO GENERAL .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 4

2.2

OBJETIVO ESPECÍFICO .................................................................. ................................................................................................... ................................. 4

EXTRACCIÓN DEL AGUA SUBTERRANEA ......................................................... ............................................................................... ...................... 4 3.1

POZO.............................................................................................................................. POZO....................................................................... ....................................................... 7

3.2

PERFORACIÓN DE POZOS VERTICALES ............................................................... .......................................................................... ........... 8

3.3

METODOS DE PERFORACIÓN .................................................................. ........................................................................................ ...................... 8

EQUIPOS DE BOMBEO Y TIPOS ............................................................. .............................................................................................. ................................. 8 4.1

DESCIPCIÓN Y TIPOS DE BOMBAS ........................................................... ............................................................................... .................... 11

4.1.1

TIPO 1: BOMBA DE ÉMBOLO O PISTÓN .............................................................. 11

VENTAJAS Y DESVENTAJAS ................................................................... .................................................................................................. ............................... 11 4.1.2 TIPO 2: BOMBAS MAMMUT O DE ELEVACIÓN DE AGUA POR AIRE COMPRIMIDO (AIR-LIFT) 13 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ................................................................... .................................................................................................. ............................... 13 4.1.3

TIPO 3: BOMBA CENTRÍFUGA .......................................................... .............................................................................. .................... 15

VENTAJAS Y DESVENTAJAS ................................................................... .................................................................................................. ............................... 20 4.1.4

TIPO 4: BOMBA DE EYECCIÓN O DE CHORRO DE AGUA ..................................... 26

VENTAJAS Y DESVENTAJAS ................................................................... .................................................................................................. ............................... 26 5.

VARIABLES A TENER EN CUENTA AL SELECCIOANAR SELECCIOANAR UN TIPO DE BOMBA......................... 29

6.

CONCLUSIONES ............................................................. ................................................................................................................... ...................................................... 30

7.

RECOMENDACIONES ................................................................. ........................................................................................................... .......................................... 30

8.

BIBLIOGRAFÍA ................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 30

Imagen 1 ENSAYO DE BOMBEO .................................................................................................... 4 Imagen 2 ESQUEMA DE UN POZO ENTUBADO ............................................................................. ............................................................................. 5 Imagen 3 POZO DE AGUA A GUA .................................................................. .............................................................................................................. ............................................ 6 Imagen 4 BOMBEO DE AGUA SUBTERRANEA SUBTERRA NEA EN POZO SURGENTE ............................................. 6 Imagen 5 BOMBEO DE AGUA SUBTERRANEA CON BOMBA ......................................................... 7 Imagen 6 POZO DE AGUA A GUA .................................................................. .............................................................................................................. ............................................ 7 Imagen 7 PARTES PA RTES DE LA BOMBA TIPOO ÉMBOLO O PISTÓN ...................................................... 11 Imagen 8 BOMBA DE DIAFRAGMA............................................................... .............................................................................................. ............................... 12 Imagen 9 BOMBAS DE DIAGRAGMA Y PISTÓN ........................................................................... 12 Imagen 10 DETALLE DEL MOLINO Y TORRE CON TANQUE DE AGUA CÓNICO ........................... 13 Imagen 11 SUMERGENCIA .......................................................................................................... .......................................................................................................... 14

Contenido 1.

INTRODUCCIÓN ............................................................. ..................................................................................................................... ........................................................ 3

2.

OBJETIVOS ...................................................................... ............................................................................................................................. ....................................................... 4

3.

4.

2.1

OBJETIVO GENERAL .......................................................... ....................................................................................................... ............................................. 4

2.2

OBJETIVO ESPECÍFICO .................................................................. ................................................................................................... ................................. 4

EXTRACCIÓN DEL AGUA SUBTERRANEA ......................................................... ............................................................................... ...................... 4 3.1

POZO.............................................................................................................................. POZO....................................................................... ....................................................... 7

3.2

PERFORACIÓN DE POZOS VERTICALES ............................................................... .......................................................................... ........... 8

3.3

METODOS DE PERFORACIÓN .................................................................. ........................................................................................ ...................... 8

EQUIPOS DE BOMBEO Y TIPOS ............................................................. .............................................................................................. ................................. 8 4.1

DESCIPCIÓN Y TIPOS DE BOMBAS ........................................................... ............................................................................... .................... 11

4.1.1

TIPO 1: BOMBA DE ÉMBOLO O PISTÓN .............................................................. 11

VENTAJAS Y DESVENTAJAS ................................................................... .................................................................................................. ............................... 11 4.1.2 TIPO 2: BOMBAS MAMMUT O DE ELEVACIÓN DE AGUA POR AIRE COMPRIMIDO (AIR-LIFT) 13 VENTAJAS Y DESVENTAJAS ................................................................... .................................................................................................. ............................... 13 4.1.3

TIPO 3: BOMBA CENTRÍFUGA .......................................................... .............................................................................. .................... 15

VENTAJAS Y DESVENTAJAS ................................................................... .................................................................................................. ............................... 20 4.1.4

TIPO 4: BOMBA DE EYECCIÓN O DE CHORRO DE AGUA ..................................... 26

VENTAJAS Y DESVENTAJAS ................................................................... .................................................................................................. ............................... 26 5.

VARIABLES A TENER EN CUENTA AL SELECCIOANAR SELECCIOANAR UN TIPO DE BOMBA......................... 29

6.

CONCLUSIONES ............................................................. ................................................................................................................... ...................................................... 30

7.

RECOMENDACIONES ................................................................. ........................................................................................................... .......................................... 30

8.

BIBLIOGRAFÍA ................................................................. ...................................................................................................................... ..................................................... 30

Imagen 1 ENSAYO DE BOMBEO .................................................................................................... 4 Imagen 2 ESQUEMA DE UN POZO ENTUBADO ............................................................................. ............................................................................. 5 Imagen 3 POZO DE AGUA A GUA .................................................................. .............................................................................................................. ............................................ 6 Imagen 4 BOMBEO DE AGUA SUBTERRANEA SUBTERRA NEA EN POZO SURGENTE ............................................. 6 Imagen 5 BOMBEO DE AGUA SUBTERRANEA CON BOMBA ......................................................... 7 Imagen 6 POZO DE AGUA A GUA .................................................................. .............................................................................................................. ............................................ 7 Imagen 7 PARTES PA RTES DE LA BOMBA TIPOO ÉMBOLO O PISTÓN ...................................................... 11 Imagen 8 BOMBA DE DIAFRAGMA............................................................... .............................................................................................. ............................... 12 Imagen 9 BOMBAS DE DIAGRAGMA Y PISTÓN ........................................................................... 12 Imagen 10 DETALLE DEL MOLINO Y TORRE CON TANQUE DE AGUA CÓNICO ........................... 13 Imagen 11 SUMERGENCIA .......................................................................................................... .......................................................................................................... 14

Imagen 12 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS ROTATIVAS RO TATIVAS .................................................................. .................................................................. 16 Imagen 13 BOMBAS CENTRÍFUGAS .............................................................. ............................................................................................. ............................... 17 Imagen 14 BOMBA CENTRÍFUGA CON MOTOR EN LA SUPERFICIE ............................................. 19 Imagen 15 CABEZAL A ENGRANAJES PARA ACCIONAMIENTO CON MOTOR SEPARADO ........... ........... 19 Imagen 16 CORTE DE UNA ELECTROBOMBA EL ECTROBOMBA SUMERGIBLE ........................................................ ........................................................ 21 Imagen 17 BOMBA SUMERGIBLE CON ROTORES DIAGONAL Y RADIALES RA DIALES.................................. 22 Imagen 18 MOTOR ELECTRICO SUMERGIBLE  – VISTA EN CORTE ............................................... 23 Imagen 19 BOMBA SUMERGIBLE DE ROTORES RADIALES .......................................................... .......................................................... 24 Imagen 20 BOMBA SUMERGIBLE DE ROTORES SEMIAXIALES .................................................... .................................................... 24 TABLA 1 CUADRO PARA SELECCIÓN DE TIPO DE BOMBA A EMPLEAR ....................................... EMPLEAR  ....................................... 29

1. INTRODUCCIÓN Una vez determinadas las posibilidades de producción de agua subterránea en una determinada zona, el siguiente proceso es determinar su adecuada explotación. Para una adecuada producción de los pozos de explotación de los acuíferos fuente, es necesario determinar el uso y así caracterizar de manera económica el beneficio de la explotación del recurso. En la presente exposición se presentan los diferentes métodos de análisis de pozos en los diferentes tipos de acuíferos existentes. La intención es mostrar el desarrollo matemático que gobiernan el movimiento del agua subterránea en explotación, ya sea bombeo o recarga de acuíferos. Así mismo el tipo de bomba a utilizar con cada uno de los acuíferos identificados.

2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Conocer cómo se lleva a cabo la extracción del agua subterránea y el instrumental que se utiliza

2.2 OBJETIVO ESPECÍFICO Conocer el equipo que se utilizan para la extracción del agua subterránea.

3. EXTRACCIÓN DEL AGUA SUBTERRANEA Una vez que se ha realizado una obra para la captación de aguas subterráneas y ésta ha alcanzado el acuífero, es necesario comprobar si el caudal que podemos obtener del mismo es suficiente para satisfacer nuestras necesidades de manera sostenida a lo largo del tiempo, y sin influenciar negativamente en el acuífero o en otras captaciones ya existentes en la zona.

Imagen 1 ENSAYO DE BOMBEO

Mediante la sonda que se observa a la izquierda del pozo se controla cómo varía la posición del nivel del agua del acuífero durante el bombeo

La realización de un ensayo de bombeo sigue una metodología de trabajo sencilla, en cuanto a la adquisición de los datos, si bien su análisis e interpretación requieren de una elevada cualificación técnica así como de un buen conocimiento de las características geológicas e hidrogeológicas de la zona. Aunque existen diferentes metodologías para su ejecución, la más simple consiste en bombear agua de un pozo, a un caudal constante o variable, midiendo simultáneamente la variación del nivel de agua en el mismo y pozos del entorno. El bombeo efectuado genera un descenso en el nivel de agua en los pozos de observación, mayor en el entorno de la captación y menor a medida que nos alejamos de él, generando una depresión en forma de cono. La extensión y evolución de dicho cono de bombeo es función de varias características del acuífero, fundamentalmente de su capacidad para transmitir y almacenar el agua. Es decir, nos da una idea de lo «bueno» o «malo» que es el acuífero.

Imagen 2 ESQUEMA DE UN POZO ENTUBADO

La explotación del acuífero genera un cono de bombeo en el entorno de la captación. Es importante decidir la profundidad más aconsejable a la que se coloca la bomba, especialmente en aquellos acuíferos conectados con el mar, para evitar posibles efectos de intrusión marina en el acuífero.

A partir de la información obtenida tras un ensayo de bombeo se puede calcular el caudal de extracción más aconsejable y el lugar más adecuado para la colocación de la bomba. Este último factor es especialmente relevante en los acuíferos que presentan una comunicación con el mar, ya que existe una estrecha relación entre la profundidad a la que se coloca la bomba y la temida salinización de los acuíferos por intrusión de agua marina. Para extraer agua del acuífero tenemos que hacer un pozo de la profundidad necesaria para llegar a ella, y poner un tubo con ranuras en los costados para que el agua entre al pozo.

Imagen 3 POZO DE AGUA

Si el agua tiene la suficiente presión (fuerza), entonces surgirá sola y tendremos un pozo Surgente

Imagen 4 BOMBEO DE AGUA SUBTERRANEA EN POZO SURGENTE

Otras deben trabajan desde fuera del pozo, para succionar el agua y luego expulsarlo hacia el exterior

Imagen 5 BOMBEO DE AGUA SUBTERRANEA CON BOMBA

3.1 POZO Un pozo es un orificio o túnel vertical perforado en la tierra, hasta una profundidad suficiente para alcanzar lo que se busca, normalmente una reserva de agua subterránea (originalmente) del nivel freático o materias como el petróleo (pozo petrolífero). Generalmente de forma cilíndrica, se suele tomar la precaución de asegurar sus paredes con piedra, cemento o madera para evitar su derrumbe.

Imagen 6 POZO DE AGUA

3.2 PERFORACIÓN DE POZOS VERTICALES La perforación de pozos tubulares profundos requiere métodos y tecnologías apropiadas, personal habilitado y equipamiento adecuado, las inversiones y riesgos tanto operacionales como financieros, son mayores. En la perforación de los pozos el éxito de los trabajos depende de una serie de factores de orden técnico y geológico, encabezados por la elección del método de perforación adoptado. No debe olvidarse; un pozo es una obra de ingeniería hidrogeológica y no un hueco a través del cual se capta aguas subterráneas, todas las precauciones deben ser tomadas para que el pozo sea técnicamente bien construido y sea una obra económicamente rentable. Dentro de los diferentes requisitos se destacan: la ubicación, el proyecto y la selección del método de perforación, a los cuales el proyectista debe estar atento y proveerse de todos los datos disponibles para definirlos con el mayor margen de seguridad posible.

3.3 METODOS DE PERFORACIÓN Son conocidos y empleados varios sistemas de perforación en suelo y rocas. Teniendo en cuenta los objetivos para los que se destine la obra en el SAG, estos pueden ser: Sistemas mecánicos  

Percusión a cable Sacatestigo continuo

Sistemas con circulación directa de fluido  Rotativo

con

circulación

Directa  Martillo neumático o

Sistemas con circulación Inversa de Fluido  Rotativo con circulación inversa  Rotativo

Down the

Hole  Hidráulico

con circulación inversa con barra doble  Rotativo con circulación inversa con barra doble y martillo

4. EQUIPOS DE BOMBEO Y TIPOS Previamente se definen algunos conceptos significativos y unidades que aparecen cuando se desea comprender el funcionamiento de los diferentes equipos de bombeo que se emplean en las perforaciones. Caudal (Q): volumen de agua bombeada desde la perforación en una determinada unidad de

tiempo. Por ejemplo m3/h; L/s; etc. Altura manométrica (H):  expresa la energía total que debe entregar la bomba a la unidad de

peso del fluido. En nuestro caso se expresa habitualmente en Kgm/m lo que simplificando, resulta ser m (metro) unidad de longitud. La altura manométrica se compone, para un momento y una sección de la línea de flujo dado, de: 1. Una altura geométrica hg de elevación que se debe tomar midiendo en dirección vertical, la distancia que media entre el nivel dinámico de bombeo y el nivel del eje de la línea de flujo analizada. Esta altura representa el trabajo que ejerce la bomba, para que el agua aumente su energía potencial, pasando de un nivel a otro, venciendo el campo gravitatorio terrestre. 2. Una altura representativa de o equivalente a, la energía debida a la presión que posee el fluido bombeado cuya expresión matemática es hp=p/g adonde p es la presión y g es el peso específico del fluido bombeado a la temperatura y presión en que se encuentra el mismo. 3. Una altura equivalente a la energía cinética, dada por hv=V2 /2g que posee el fluido.

4. Una altura equivalente a las pérdidas de energía por fricción que sufre la unidad de peso a lo largo de la línea de flujo. hf= f(V2 ; L;1/Ø) En el caso de las bombas para extraer agua de perforaciones que se analiza aquí y al considerar en general el flujo desde el nivel dinámico de bombeo hasta el máximo nivel que alcanza la tubería de impulsión, la altura correspondiente a la energía cinética es despreciable toda vez que las velocidades de circulación en las tuberías de aspiración y de descarga de las bombas difícilmente superen los 3 m/s (en cuyo caso hv≤0,5m),

resultando: H(m) = hg + hp + hf

En el caso frecuente de equipos que descargan a presión atmosférica la hp=p/g =0 y resulta: H(m) = hg + hf Potencia (N): es la energía puesta en juego en la unidad de tiempo. Aquí cabe diferenciar entre

la potencia que recibe la bomba por parte de la planta motriz (motor eléctrico, de explosión, etc.) y la que la bomba efectivamente cede al fluido que maneja. Esta última será forzosamente menor que aquella por las pérdidas de energía propias de la bomba, energía esta que se disipa en forma de calor y de sonido. La evaluación de estas pérdidas se hace conociendo el rendimiento de la bomba, información que debe suministrar el fabricante. Así las cosas, la potencia que se debe entregar a la bomba es proporcional al caudal Q y a la altura H (aumenta con ellos) e inversamente proporcional al rendimiento: =

 75

Donde: N: potencia en CV  : Peso específico del fluido bombeado a la temperatura y presión a que se encuentra el mismo.

Q: caudal en m3/s H: altura manométrica total en m n: rendimiento del conjunto motor-bomba Aspiración: un tratamiento aparte merece la aspiración de la bomba. La capacidad de aspiración

de cualquiera de los elementos impulsores que se describirán, está limitada por: 

La presión atmosférica , que es la verdadera causa de que el líquido ascienda por una

columna en la que se ha practicado una depresión. Esta altura es de 10,33 m cuando el líquido aspirado es agua a temperatura y presión normalizadas (0°C y a nivel del mar). Este límite es teórico ya que en la práctica no puede lograrse nunca el vacío perfecto que se necesitaría para alcanzarlo. Esto significa en términos prácticos que si el nivel dinámico de bombeo se aleja más de 6 ó 7 metros del elemento de la bomba que provoca la aspiración, la misma cesará al igual que la impulsión del agua. 

La cavitación, fenómeno que consiste en la evaporación parcial del líquido aspirado aún

cuando se encuentre a temperatura ambiente, por efecto de las bajas presiones generadas en la aspiración, se alcanza en ese caso la “presión de vaporización” del

líquido, termodinámicamente hablando: se está en un punto sobre la campana del diagrama T-S.

Se forman así bolsas de vapor dentro de la masa líquida, las que al avanzar en la corriente fluida, ingresan a zonas de mayor presión y colapsan, provocando fuertes efectos localizados y, los que en su forma más severa, producen “picaduras” con deterioro de los elementos impulsores de la bomba, además de ruidos y vibraciones. Se deben en consecuencia limitar los valores de depresión o lo que es lo mismo la altura de aspiración. Los fabricantes informan cual es la altura de columna de agua mínima o presión mínima que debe haber sobre el cero de la presión absoluta, para que la bomba no cavite. Este dato se expresa como ANPA en español que significa “altura neta positiva de aspiración” y es como queda dicho un dato que debe suministrar el fabricante.

Así si el ANPA requerido (el necesario para que no cavite una bomba) es de 4,5 metros, eso significa que para una presión atmosférica local equivalente a 10 mca la distancia máxima al nivel dinámico de bombeo podrá ser de hasta 5,5 mca. ( para ser más precisos debería restarse todavía a esta última medida la altura equivalente a las pérdidas de carga que ocurren en la línea de aspiración que no hayan sido incluidas por el fabricante en la fijación del ANPA requerido). Si se mantiene a 3 m esa distancia diremos que el ANPA disponible es de 7m y como ANPA disponible ≥ ANPA requerido, se cumple con la condición necesaria para evitar la

cavitación. La limitación de la distancia de aspiración hizo caer en desuso aquellas bombas que como la centrífuga de aspiración simple (sea su ejecución horizontal o vertical) y l a de diafragma, ocupan un espacio incompatible con su descenso en un pozo mecánicamente perforado. En este caso o bien se las deja en la superficie, cuando el nivel dinámico se mantiene dentro de los límites antes fijados o bien se las debe bajar en los llamados antepozos que preceden a la perforación propiamente dicha o en pozos de gran diámetro, en general cavados de manera manual y a poca profundidad. En estos casos cuando el nivel de agua baja, deben continuar profundizándose el pozo cavando por dentro del existente y cuando el agua asciende y amenaza con cubrir a los motores de las bombas obliga a reubicarlas en una posición más alta. A estos problemas, se suma el hecho de que los pozos de este tipo no poseen una buena aislación ya que la misma depende generalmente de una pared construida con ladrillos y mortero y en consecuencia se contaminan frecuentemente, más el engorroso mantenimiento y la necesidad de contar con una válvula de retención de pié de cierre perfecto en el caso de las bombas centrífugas (de lo contrario no aspirarán al arrancar) Actualmente sólo se mantienen operando en pequeñas captaciones.

4.1 DESCIPCIÓN Y TIPOS DE BOMBAS 4.1.1 TIPO 1: BOMBA DE ÉMBOLO O PISTÓN Actúa por el principio de hacer actuar una fuerza sobe el líquido. Es una bomba de desplazamiento positivo, en donde el pistón (eventualmente un diafragma) es comandado a su vez por algún mecanismo que le comunica un movimiento alternativo. El pistón o émbolo, se mueve dentro de un cilindro que se instala dentro del pozo y preferentemente debajo del nivel dinámico de bombeo. En la superficie se encuentra el mecanismo de comando con la planta motriz que le confiere el movimiento alternativo. Posee además un sistema de válvulas automáticas. Cuando el pistón sube (en realidad esta disposición de la bomba podría ser también horizontal pero naturalmente presentaría por su tamaño, serios inconveniente para instalarla en el pozo) empuja el agua que está en la cámara A, hacia la superficie, los cueros flexibles se “acuñan” contra el cilindro y cierran herméticamente. Simultáneamente entra

agua por la depresión producida en la cámara B debajo del pistón. Durante esta etapa la válvula 1, que comunica A y B, se cierra y la 2, ubicada al pie del cilindro, se abre, permitiendo que el agua pase del pozo a la cámara B debajo del pistón. En la segunda fase el pistón baja, la válvula 1 se abre y el agua pasa de la cámara B a la A al ser impelida por el descenso y el pistón queda listo para reiniciar el ciclo.

Imagen 7 PARTES DE LA BOMBA TIPOO ÉMBOLO O PISTÓN

VENTAJAS Y DESVENTAJAS La ventaja principal de este sistema es la gran altura manométrica que se logra a partir de un pequeño diámetro de pistón y por consiguiente de pozo, lo que significa economía de construcción. Son casos típicos de construcción los molinos de viento y las bombas individuales para viviendas, sean de mano o accionadas con motor. Antaño se emplearon en pequeños abastecimientos públicos, con pistones instalados en algunos casos a 100 m de profundidad y más. Las principales limitaciones y desventajas son el bajo caudal y el importante costo de mantenimiento por el pronunciado desgaste que sufre el elemento impulsor y el mecanismo de accionamiento, característica ésta propia de los movimientos alternativos, compuestos por engranajes y mecanismo de biela  –  manivela o excéntricas, todo lo cual debe funcionar en baño de aceite. Estos mecanismos limitan el caudal que no puede incrementarse más allá de cierto valor por aumento

del diámetro, de la longitud de la carrera del pistón o por elevación de la velocidad de ascenso y descenso del pistón, en razón de los problemas inerciales aludidos y además porque las aperturas y cierres de válvulas originan golpes de ariete, cuyas ondas de presión recorren la tubería ascendente hasta alcanzar la superficie, pudiendo provocar roturas en la bomba y en las propias tuberías. Lo usual es emplear velocidades de hasta 30 ciclos por minuto. En ocasiones se emplean resortes para asegurar positivamente el cierre de las válvulas y disminuir los rebotes de las mismas causados por las ondas de presión.

Imagen 8 BOMBA DE DIAFRAGMA

La bomba a diafragma emplea el mismo principio y aquí la succión se consigue mediante el desplazamiento de un diafragma de material flexible cuyos borde perimetral se encuentran fijo y su centro es desplazado con un movimiento alternativo. Las válvulas poseen siempre resortes para asegurar su cierre, dado que la carga hidrostática suele ser muy pequeña. Su uso se limita a lugares como los próximos a ríos o para extraer agua de pozos someros en las dunas o médanos de las regiones marítimas costeras, en donde los niveles del agua a bombear se encuentren muy próximos al nivel de terreno o al de instalación de la bomba.

Imagen 9 BOMBAS DE DIAGRAGMA Y PISTÓN

Imagen 10 DETALLE DEL MOLINO Y TORRE CON TANQUE DE AGUA CÓNICO

4.1.2 TIPO 2: BOMBAS MAMMUT O DE ELEVACIÓN DE AGUA POR AIRE COMPRIMIDO (AIR-LIFT) Actúa por el principio de generar una mezcla de aire comprimido y agua. Se trata de un sistema de bombeo extremadamente sencillo: se insufla aire por una tubería ubicada por dentro o al costado del tubo de aducción, el aire al mezclarse con el agua conforma un fluido de menor peso específico que el agua circundante y en consecuencia la mezcla ( no homogénea) asciende por el tubo de aducción por diferencia de densidad. En realidad se forman grandes burbujas de aires que ascienden con mayor velocidad que el agua arrastrando a la porción de la misma que se encuentra por encima. El aire a medida que va ascendiendo se dilata ya que disminuye la presión hidrostática aumentando, si se mantiene la sección del tubo de aducción, su velocidad de ascenso y provocando por arrastre una mayor velocidad del agua, que de esta manera aumenta de abajo hacia arriba. El flujo en la descarga es pulsante e irregular ya que aire y el agua salen prácticamente por separado.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS Las ventajas de este sistema son entonces: - Sencillez operativa - Robustez y funcionamiento confiable - Bajo mantenimiento Desventaja: La principal desventaja es su bajo rendimiento energético del orden del 15 al 25%

Sumergencia:

Deben verificarse ciertos requisitos en la instalación para obtener un rendimiento satisfactorio, entre los cuales se pueden mencionar la sumergencia y la relación del diámetro de la tubería de aducción por donde sube la mezcla aire-agua y la capacidad del compresor que se emplea. La sumergencia S es la relación o cociente entre la longitud del tubo de inyección de aire que queda por debajo del nivel dinámico de bombeo y la altura total que recorre el aire desde el extremo inferior del tubo de inyección hasta el extremo superior del tubo de aducción. Los valores próximos al 60% arrojan normalmente un mejor rendimiento energético, en general se consideran adecuadas aquellas sumergencias del orden de 0,5 a 0,75. El tubo de aducción, que a menudo es el tubo de camisa o ademe del pozo aunque pude ser un tercer tubo (si contamos al ademe y al tubo de inyección de aire), debe guardar una relación con el caudal de aire que envía el compresor, un diámetro excesivamente grande hará que el aire escape a mayor velocidad que en un tubo de menor diámetro reduciéndose el arrastre de agua.

Imagen 11 SUMERGENCIA

Por ello y bajo determinadas condiciones de funcionamiento, las bombas funcionando en diámetros pequeños de tubos poseen mejor rendimiento que aquellas que funcionan con tubos de aducción mayores aunque en estas últimas las pérdidas de carga sean menores. La presión del compresor debe ser capaz de vencer la columna de agua que se instala por dentro del tubo

de inyección cuando se detiene la insuflación de aire, un instante antes de ese punto (cuando “rompe” el aire al salir al interior del tubo de aducción) es cuando el equipo de compresión

absorbe la máxima potencia, luego como por afuera se genera el fluido mezcla de menor densidad promedio que el agua pura, bajan la potencia demandada y la presión de trabajo del compresor. Este forma de bombeo, como ya se mencionara al hablar de los métodos empleados para desarrollar pozos, es particularmente útil debido a la enérgica acción del aire comprimido que al salir por el extremo del tubo de inyección logra remover las partículas que obstruyen las aberturas de la rejilla o filtro, extraer los materiales de granulometría fina que las rodean y contribuyen a eliminar los restos del lodo de inyección empleado para perforar. Un factor que debe tenerse en cuenta especialmente al emplear este sistema para bombeo de agua potable, es la contaminación del aire circundante al compresor, incluyendo las bacterias y la posibilidad de que el aceite de lubricación del compresor se inyecte con el aire y llegue al agua que se extrae.

4.1.3 TIPO 3: BOMBA CENTRÍFUGA Consta básicamente de un rotor, llamado rodete o impulsor con álabes entre los cuales se produce una transferencia de energía del rotor al fluido manejado, mediante distintos fenómenos, que pueden resumirse así: 1. Trabajo de las fuerzas centrífugas por aumento de la velocidad periférica o tangencial desde el centro del rotor hacia los bordes con incremento de la energía cinética del fluido. 2. Trasferencia de energía cinética a energía de presión por disminución de la velocidad relativa entre álabe y fluido (corriente relativa retardada) como consecuencia del aumento gradual desde el centro a la periferia de la sección entre álabes por donde pasa el fluido. La corriente de fluido abandona el rodete habiendo incrementado su presión para también su velocidad absoluta y dado que desde el punto de vista de rendimiento energético es preferible acumular la energía de forma de un incremento de presión antes que de un aumento de velocidad, ya que así se disminuyen en gran medida las pérdidas de energía, se hace que el líquido salido del rotor ingrese inmediatamente después en el otro elemento fundamental de la bomba centrífuga que es el difusor en donde por ensanche gradual de la sección, se transforma gran parte de la energía cinética en energía de presión. El difusor puede adoptar varias formas: difusor de paletas, caja espiral, anillo difusor entre ellas. En cuanto al rotor puede presentar distintas formas que favorecen diferentes prestaciones y dan su denominación a la bomba:

Imagen 12 CLASIFICACIÓN DE BOMBAS ROTATIVAS

Radial: el movimiento del líquido en el interior del rotor es de dirección radial y

sentido del centro hacia afuera. Son empleados para conferir al líquido mucha presión, pero por sus características manejan caudales reducidos. Semiaxiales o diagonales:  son los más frecuentemente empleados en bombas para

pozos ya que combinan el manejo de caudales significativos con el logro de alturas manométricas como las que se necesitan en los pozos. El agua recorre en su interior una trayectoria en diagonal desde el centro hacia la periferia del rotor. Axial: integran las denominadas bombas rotativas no siendo bombas centrífugas ya

que presentan un principio distinto al descripto para éstas (por lo demás sólo aplicable rigurosamente a las bombas radiales). No se emplean en pozos profundos y en cambio se aplican masivamente para el bombeo de grandes caudales a poca altura manométrica. El conjunto de un rotor y su difusor constituye una etapa, célula o fase.

Imagen 13 BOMBAS CENTRÍFUGAS

El conjunto de etapas constituye el cuerpo de la bomba. Dentro de las bombas centrífugas existen distintos sistemas de ejecución, empleándose actualmente casi con exclusividad en el bombeo desde pozos la bomba de cuerpo sumergido o de pozo profundo, sea con el motor en la superficie y una transmisión hasta el cuerpo de bomba o con el motor sumergido conjuntamente con el cuerpo de bomba. Motor en la superficie:

La primera forma de ejecución recibe el nombre de bomba vertical de transmisión, de eje de transmisión o con árbol de transmisión, tiene un eje que parte desde la superficie y llega al cuerpo de bomba para accionarlo. Este eje gira guiado por bujes concéntricos con la tubería de suspensión y soportados por ella. La lubricación y el enfriamiento de dichos bujes se efectúan por la misma agua que extrae la bomba. Posee el motor en la superficie que cuando es eléctrico va directamente aplicado sobre el cabezal de la bomba. Este componente soporta el motor y de él pende la columna de suspensión y en algunas versiones, posee en su interior el acoplamiento del eje del motor y del eje que llega hasta el cuerpo de bomba, con un mecanismo de regulación para ajustar la luz entre los rotores y los tazones que conforman el cuerpo de bomba. En otros casos el eje se conecta en la parte superior del motor al eje de éste que es hueco y permite el paso del eje de transmisión de la bomba por su interior. Cuando el motor es de explosión, diesel, etc. el cabezal posee un mecanismo por el cual o bien se acciona con una polea ubicada coaxialmente con el eje de la bomba y correas o bien y con un mando más adecuado por lo efectivo y robusto, el cabezal posee un mecanismo de engranajes que cambian la dirección de la transmisión poniendo el eje motriz horizontal y facilitando el acople directo con el eje de un motor externo. Este cabezal funciona con lubricación por aceite.

Otra función que en general tiene el cabezal de la bomba es conducir el agua desviándola de la dirección vertical con que sale del pozo a la horizontal de descarga (en otras ejecuciones menos evolucionadas esta descarga se hace por debajo del cabezal con un ramal existente en la columna de suspensión. Finalmente aloja un sistema de retención del agua que de lo contrario brotaría alrededor del eje de transmisión, compuesto por un sistema de estopas o retenes mecánicos de ajuste manual o automático. En otra versión existe un tubo interior de la columna de suspensión y concéntrico con la misma, que protege al eje de transmisión que gira en baño de aceite o de agua limpia inyectada desde la superficie. Este tipo de ejecución es apto para el bombeo de aguas con arrastre de arena. En contraposición son bombas más costosas y complejas y siempre existe la posibilidad de que, en el caso de lubricación por aceite, el mismo pase al agua bombeada, contaminándola. Como puede advertirse fácilmente por la descripción se trata de un equipo complejo que en cualquier caso posee muchas piezas en movimiento y por consiguiente está sujeto a desgastes pronunciados. Se deben construir con la robustez necesaria para evitar fallas y la necesidad de reparaciones frecuentes que lo dejen fuera de servicio. Son bombas de costo elevado. En contraposición al poseer el motor en la superficie permite que el mismo sea fácilmente reemplazado o reparado. Las otras ventajas, decisivas en muchos casos fuera del costo, son el bombeo de aguas con suspensión de abrasivos y el accionamiento con plantas motrices no eléctricas.

Imagen 14 BOMBA CENTRÍFUGA CON MOTOR EN LA SUPERFICIE

Imagen 15 CABEZAL A ENGRANAJES PARA ACCIONAMIENTO CON MOTOR SEPARADO

Con motor sumergido:

Son las bombas denominadas electrobombas sumergibles y actualmente las más empleadas en pozos para bombeo de aguas limpias libres de áridos y adonde se cuente con energía eléctrica. Incluso en estos casos se prefiere e menudo proveer un equipo de generación eléctrica o grupo electrógeno a la alternativa de colocar una bomba vertical de eje. Ello es así porque su concepción es muy sencilla y ha sido posible partir de la evolución de la tecnología que ha permitido contar co n motores bañados en agua (incluso en su interior) confiables y duraderos. Hasta hace unos 25 años atrás su precio era competitivo sólo para medianos y grandes abastecimientos y a partir de determinadas profundidades de instalación del cuerpo de bomba por la eliminación de la transmisión que poseen las bombas verticales. En la actualidad han disminuido sus costos en relación a las alternativas de tal manera que incluso compiten favorablemente en las pequeñas captaciones, existiendo equipos que pueden ser instalados por dentro de tubos de hasta 3” (76 mm) de diámetro.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS Sus ventajas frente a las alternativas (incluyendo la bomba de eyección o chorro de agua que se describe más adelante) son: - Elevado rendimiento. - Elimina los problemas derivados del descenso de los niveles de agua - Ausencia de cavitación La primera ventaja derivada de hecho de aunar los excelentes rendimientos de cualquier bomba centrífuga con la eliminación de la larga transmisión mecánica que poseen las bombas verticales de eje. Esto se traduce en menor consumo de energía, desgaste reducido (siempre hablando de bombear agua limpia sin sedimentos) disminución de vibraciones y ausencia de ruido. Las dos últimas ventajas mencionadas antes, se derivan del hecho de que el cuerpo de bomba puede instalarse con una adecuada inmersión mientras el pozo mantenga el diámetro mínimo necesario. Las bombas sumergibles en general se especifican precisamente por el diámetro mínimo del tubo dentro del cual pueden ser instaladas, así hay bombas de 3”; 4”; 6”, 8”, 10”, etc.

Imagen 16 CORTE DE UNA ELECTROBOMBA SUMERGIBLE

Imagen 17 BOMBA SUMERGIBLE CON ROTORES DIAGONAL Y RADIALES

Imagen 18 MOTOR ELECTRICO SUMERGIBLE –  VISTA EN CORTE

En la parte superior a la izquierda puede observarse en ingreso del conductor eléctrico que viene desde la superficie.

Imagen 19 BOMBA SUMERGIBLE DE ROTORES RADIALES

Imagen 20 BOMBA SUMERGIBLE DE ROTORES SEMIAXIALES

Imagen 21 BOMBASUMERGIBLE CON TABLERO ELÉCTRICO

4.1.4 TIPO 4: BOMBA DE EYECCIÓN O DE CHORRO DE AGUA Si bien emplea una bomba centrífuga de uno o más rodetes radiales en la superficie, el elemento fundamental de este tipo de bomba es el eyector. Su funcionamiento se basa en la depresión que provoca una corriente de agua descendente, corriente secundaria, que al salir de una tobera adonde se acelera, entra en la zona estrecha de un tubo Venturi. Esta zona del tubo Venturi está conectada a su vez con la boca de aspiración del fluido. Este es aspirado por la baja presión y mezclado con el agua de la corriente secundaria, conforma la corriente principal que asciende por la parte superior del Venturi aumentando gradualmente su presión al disminuir la velocidad por aumento de la sección, este tramo del tubo Venturi actúa así como difusor. La corriente descendente es generada por la bomba centrífuga en la superficie y baja por un tubo paralelo al de aducción o bien, en otra versión constructiva, por el espacio concéntrico entre éste y el tubo de camisa o ademe. Para iniciar el funcionamiento se requiere que ambos tubos estén completamente llenos de agua, para lo cual se disponen de los mecanismos de retención necesarios y además debe existir una cierta contrapresión mínima en la descarga del agua para que parte de la misma se derive en la corriente secundaria imprescindible para el bombeo. Se coloca a ese efecto una válvula de estrangulación de la corriente de descarga y un manómetro que permite una regulación fina de las condiciones de servicio. Es una bomba de buen rendimiento energético global (40  – 50% para profundidades de aspiración que no superen los 15 m) pero el mismo se traduce mayormente en la presión de descarga mínima que debe mantenerse y en consecuencia cuando la misma no es necesaria para la instalación que recibe el bombeo, el rendimiento cae apreciablemente. Por otra parte cuando la aspiración debe hacerse desde niveles de 30 m en adelante los rendimientos descienden a valores inferiores al 15% con caudales pequeños en relación con las potencias empleadas.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS La ventaja principal de este tipo de bomba radica en su sencillez mecánica ya que dentro del pozo no hay piezas en movimiento si se exceptúa la válvula de retención lo que redunda en un bajo costo de mantenimiento.

Imagen 22 INSTALACIÓN TÍPICA DE UNA BOMBA DE EYECCIÓN

En este caso con doble caño (además del ademe o camisa). Obsérvese que la bomba centrífuga puede instalarse desplazada de la vertical del pozo.

Imagen 23 DETALLE DEL EYECTOR

Imagen 24 BOMBA JET PUMP

5. VARIABLES A TENER EN CUENTA AL SELECCIOANAR UN TIPO DE BOMBA Como ya se viera la elección de la bomba influye a menudo en el diseño del pozo. Para seleccionar uno de los tipos de bomba descriptos, deben tenerse en cuenta los siguientes factores:       

Caudal a extraer. Nivel dinámico de bombeo Elevación necesaria del agua sobre nivel del terreno o en su defecto presión de descarga. Energía disponible (electricidad, motor de explosión, etc.) Inversión inicial. Costo de la energía de accionamiento. Costo y disponibilidad de mantenimiento.

En el caso de existir la perforación, deberán considerarse además:  

Si posee tubo de camisa o ademe, diámetro, longitud y material. Existencia o no de filtro o rejilla. En caso de existir capacidad de diseño del mismo.

Teniendo en cuenta estos factores y la descripción de las ventajas e inconvenientes de los distintos tipos de bombas analizados, se plantea a continuación un cuadro con distintos casos que se presentan en la práctica y la elección recomendada de la bomba que se propone como más adecuada para cada uno de ellos.

Naturalmente se trata de recomendaciones de uso en base a casos habituales, estando sujetas a las condiciones de cada lugar y es probable que se encuentren situaciones que no encajan exactamente en las que se señalan

TABLA 1 CUADRO PARA SELECCIÓN DE TIPO DE BOMBA A EMPLEAR

Referencias del cuadro: (1) Tipos de bombas según la descripción anterior. (2) Caudales dentro de los cuales su uso y adquisición son rentables y su uso resulta práctico. (3) Relacionado con la aspiración de la bomba. (4) Incluye la altura equivalente a las pérdidas de carga. (5) Referido al tipo de energía de accionamiento disponible. (6) Clasificado en relación con el tipo de bomba que alternativamente puede emplearse. (7) Suponiendo un mismo tipo de agua en cuanto a la agresividad, incrustación, ausencia de arena, etc. (8) Relacionado con el consumo de energía y el costo en el lugar. (9) Referido al desgaste sufrido por la bomba cuando bombea agua con presencia de arena.

6. CONCLUSIONES Se concluye que antes de realizar una explotación de aguas subterráneas se debe hacer un estudio de balance hidrológico para no agotar el acuífero e impedir la contaminación de agua por intrusión si está cerca a las costas. Se debe conocer las características específicas de los pozos a explotar ya que debido a esas características se debe elegir el tipo de equipo de bombeo a utilizar.

7. RECOMENDACIONES Tanto como la extracción y la explotación del aguas subterránea a través de los pozos requieren de alta precisión en todos los cálculos que se realicen tanto para la construcción, y mantenimiento de la presión del fluido por tal motivo el carácter de seguir las normas técnicas establecidas es importante para evitar fugas y contaminar el agua subterránea.

8. BIBLIOGRAFÍA  

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AGUAS SUBTERRANEAS, CONOCIMIENTO Y EXPLOTACIÓN: Ing. Norberto Bellino ASTM D 2688-2005 Standard test method for corrositivy of water in absence of heat transfer. Weight loss method (Método estándar de prueba para Corrosividad de agua en ausencia de transferencia térmica. Método por pérdida de peso). ASTM G31-2004 Practice for laboratory immersion corrosion testing of metals (Práctica de laboratorio para prueba de corrosión por inmersión de metales). Aguas Subterráneas 2012-Tipos de Bombas, Ing. Norberto Bellino Caminos Del Agua, Ing. López y J. Gámez, Madrid España. Pozos de bombeo de agua subterráneas, Crisolo. Protección de la Calidad del Agua Subterránea, Guía para empresas de agua autoridades municipales y agencias ambientales, Banco Mundial 2002 sistema hidroneumático, manual de especificaciones técnicas, Hidrostal